Что значит углеродистая сталь

Обновлено: 18.05.2024

Центральное место во всем промышленном материаловедении занимает сталь. С ее помощью успешно решают большинство технических задач. К услугам инженера — огромный диапазон вариантов: начиная от самой простой строительной арматуры и заканчивая хромоникелевой нержавейкой, способной работать в условиях открытого космоса.

Наибольшего внимания заслуживает углеродистая сталь и ее марки. Они лишены значимых легирующих добавок и потому представляют собой исключительно композицию железа и углерода в чистом виде. Познакомиться с углеродистыми сталями поближе — значит понять основополагающие принципы, как ведут себя все сплавы из категории «черных» и от чего зависят их рабочие характеристики.

Классификация и марки

Лишь у некоторых уникальных промышленных материалов есть полноценные имена — в честь их изобретателей или каких-то особенных свойств. Остальные довольствуются условным обозначением — т.н. маркой, внутри которой зашифрована ключевая информация. Марку можно сравнить с разновидностью, чей состав и структура жестко определены и неизменны.

Условно все углеродистые стали делят на несколько категорий, используя два определяющих параметра: химсостав материала или его функциональное применение. Причем марки, соседствующие в одной группе по первому делению, с большой долей вероятности станут коллегами и при оценке рабочих свойств.

По химическому составу

Ключевым параметром, на который обращают внимание при знакомстве с любой маркой стали, становится процент содержания углерода. Различают три вида:

05кп, 08кп, 10, 15, 20, Ст0, Ст1, Ст2

25, 35, 45, 55, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6

58, 60, 65, 70, 75, 80, 85, У9, У12, У13

Низкоуглеродистые стали предназначены преимущественно для изготовления сварных изделий — за счет малой доли углерода они очень податливы к любым процессам сварки, не склонны к образованию флокенов и трещин, легко поддаются механическому резанию и изгибу. В целом, они вязкие и с низкой прочностью.

Термическое упрочнение (закалка, улучшение) не дают ощутимого эффекта по росту прочности или твердости. Зато собственное низкое содержание углерода позволяет применить к материалу особый вид химико-термической обработки — цементацию. Поверхностные слои насыщаются углеродом из внешнего источника, после чего реакция на закалку становится уже совершенно иной. Твердость поверхности зашкаливает, а сердцевина по-прежнему остается мягкой и может работать как гаситель напряжений.

Среднеуглеродистые стали — наиболее ходовые и популярные благодаря своей «серединности» и универсальности. Они лишены недостатков остальных граничных групп и обладают собственными достоинствами.

В частности, такие марки стабильно и уверенно реагируют на закалку, набирая нужную прочность и твердость без дополнительных ухищрений. Но сварку следует вести с осторожностью — увеличенная доза углерода может приводить к развитию трещин при кристаллизации шва.

Их используют для производства деталей машин и механизмов, которые постоянно испытывают рабочие нагрузки. Это разнообразные шестерни, рычаги, колеса, шкивы ременных передач, валы и оси. Углеродистые стали всегда дешевле любых легированных, поэтому марки со средним содержанием углерода предпочтительны, если конечное изделие не испытывает негативного воздействия коррозии, нагрева или охлаждения. Тяжелая работа в обычных условиях — это пример применения таких сплавов.

Высокоуглеродистые стали вообще не рекомендуется варить: они очень склонны к образованию трещин, флокенов и остаточных напряжений в зоне шва. За счет высокой доли углерода на закалку реагируют лучше всех остальных. Результатом становится очень высокая твердость и прочность, вплоть до возникновения пружинящих свойств.

Такие марки закладывают для изготовления специальных деталей машин, пружин различной конфигурации (плоские, витые, тарельчатые), режущего и слесарного инструмента.

По области применения

С учетом химического состава, «круг обязанностей» каждой марки уже предопределен, как и сфера, где ее можно использовать максимально эффективно. Поэтому все углеродистые стали разделили на три категории по области применения:

Категория	Группа	Примеры марок
Конструкционные	Общего назначения	Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст5
	Качественные	05кп, 08кп, 10, 15, 20, 35, 45, 50, 55, 60
	Повышенной обрабатываемости	А11, А20, А30, А35
Инструментальные	-	У8, У10, У11, У12А
Специальные	Рессорно-пружинные	65, 70, 75, 80, 85
	Для строительных конструкций	С235, С285, С590К
	Подшипниковые	ШХ4
	Для крановых рельс	К63

Конструкционные углеродистые стали предназначены для изготовления деталей машин и металлоконструкций. Их активно используют во всех сферах промышленности — начиная от металлообработки и заканчивая возведением атомных электростанций.

Среди них выделяют три основных группы:

общего назначения — марки со стандартной степенью очистки от постоянных примесей. Нужно преимущественно для сварных строительных конструкций, корпусных деталей и ненагруженных элементов;
качественные — повышенной степени очистки и с улучшенными механическими свойствами. Применяются для производства деталей машин и крепежа;
повышенной обрабатываемости — с максимально стабильной структурой и постоянством физико-механических свойств по всему объему. Такой материал идет в работу на автоматические линии.

Инструментальные углеродистые стали могут похвастать куда большим содержанием углерода, чем все остальные «родственники» — от 0,66 до 1,35%. Такие сплавы используют для производства:

режущего инструмента — для работ по дереву, пластику, мягким цветным сплавам и незакаленной стали;
мерительного инструмента;
слесарного инструмента;
оснастки для холодной штамповки;
вспомогательной станочной оснастки.

Главное преимущество инструментальных марок — очень сильная реакция на закалку, увеличенная износостойкость, твердость и прочность.

Углеродистая сталь для строительных конструкций идет на массовый выпуск фасонного проката: швеллера, тавровой и двутавровой балки, уголков. В сплавах этого типа заложено мало углерода и ощутимое количество примесей кремния и марганца (до 0,5..0,8%), чтобы обеспечить необходимую вязкость, устойчивость и хорошее восприятие сварочных процессов.

Очень интересна марка ШХ4, случайно попавшая в группу подшипниковых как единственная нелегированная сталь. Ее используют для производства колец железнодорожных подшипников. Содержание углерода там изрядное — в пределах 0,95 до 1,05% — и присутствует щепотка хрома — 0,35..0,5%.

Марку К63 (или просто 63) применяют исключительно для горячей прокатки специального сортамента — рельс крановых путей. Этот сплав обеспечивает необходимый баланс между прочностью, износостойкостью и стрессоустойчивостью. Материал постоянно работает с высокими нагрузками и фрикционным износом от катания колес.

Свойства углеродистых сталей

При рассмотрении той или иной марки, инженера интересует химический состав не сам по себе, а как прямое указание на возможные физико-механические свойства. А те, в свою очередь, отражают диапазон функций, которые характерны для материала.

И с оглядкой на такую взаимосвязь можно сделать утверждение, что каждая марка углеродистой стали по-своему уникальна, потому что обладает собственным, неповторимым набором характеристик.

Прочностные характеристики

Первым параметром, на который ориентируются при проектировании любой конструкции, становится умение материала сопротивляться действующим нагрузкам. Это комплексная характеристика, в которую войдут:

предел прочности — размер силовой нагрузки, при которой металл разрушается;
предел текучести — размер силовой нагрузки, при которой металл начинает деформироваться;
ударная вязкость — способность сопротивляться внезапным силовым воздействиям;
относительное удлинение при разрыве — насколько металл будет удлиняться перед тем, как окончательно «порваться» под действием радикальной силовой нагрузки, превышающей предел прочности;
твердость — способность сопротивляться внедрению иного твердого тела.

Все эти показатели тесно связаны между собой. И по их оценке можно легко предсказать, как материал поведет себя в работе.

Связь между отдельными механическими характеристиками сплава не всегда прямая. Например, предел прочности всегда в 1,7..2,2 раза больше предела текучести. Зато, чем выше предел прочности сплава — тем зачастую меньшую величину относительного удлинения при разрыве он покажет.

Механические характеристики углеродистых сталей растут вместе с содержанием углерода. Этот элемент — главный признак всех возможностей сплава.

Ниже в таблице приведены ориентировочные показатели разных категорий сталей в «сыром» состоянии.

Чем отличаются углеродистые стали от легированных?

Определение сталь объединяет сплавы на основе железа и углерода с другими веществами. При очистке железной руды получают чугун, содержащий 2,14-6,67% углерода. Этот элемент отвечает за твердость, при этом металл хрупок и не пластичен. Уменьшение углеродной составляющей изменяет структуру, делает материал ковким, повышает его ударную вязкость.

Чем отличается углеродистая сталь от легированной?

Углеродистая сталь состоит из тех же элементов, что первоначальное сырье: железо, углерод, кремний, марганец и вредные примеси: сера, фосфор. Легированными (ligare-связывать) называют сплавы, усиленные другими металлами: хромом, никелем, медью, молибденом.

Характеристики легированной стали

Для легирования применяют металлы, способные образовывать устойчивые соединения с железом и углеродом. Из карбидов, интерметаллидов и дисперсных частиц под воздействием температур формируется сложная кристаллическая решетка. При уменьшении углеродной доли каркас структуры создают хром, никель, марганец и другие элементы, а карбидные соединения вытесняются к границам зерен. Активное железо находится в связанном состоянии и не может реагировать с агрессивными веществами.

Легированные стали классифицируют по количеству присадок:

Низколегированные — до 2,5%;
Среднелегированные — 2,5-10%;
Высоколегированные — выше 10%.

И различают по назначению:

Инструментальные — применяют в производстве измерительных и режущих инструментов, штамповой оснастки;
Конструкционные — для изготовления агрегатов и механизмов, корпусов автомобилей и оборудования, конструкций;
Специальные — коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные и др.

Для определения марок создана буквенно-цифровая система. Легирующие элементы обозначают русскими буквами. В составе большей части сплавов не более 1% углерода, но эта характеристика одна из самых важных, поэтому ее указывают в начале маркировки в сотых долях процента. Числовые значения, округленные до единиц опускают.

● Буква А в конце значит, что сталь высококачественная.

Если содержание углерода 1% и более, первую цифру не пишут, например ХВГ, ХВСГ, ШХ15СГ. Для некоторых групп применяют обозначения перед маркировкой: А — автоматные, Ш — подшипниковые, Р — быстрорежущие, Э — электротехнические, Е — магнитно-твердые. Сплавы выпускаемые одним предприятием имеют свои названия, например ЭИ417 (Электросталь), ЧС 116-ИД (Челябинская сталь), ВНС-65 ВИЭМ).

Разработано более тысячи легированных стальных сплавов с различными уникальными свойствами: устойчивые к охрупчиванию на холоде, стойкие к кислотам и щелочам, кавитационным нагрузкам. В сравнении с углеродистыми они обладают меньшей теплопроводностью, твердостью. При термической обработке, в том числе сварке, необходимо учитывать свойства всех металлов в составе.

Характеристики углеродистой стали

Качества сплавов зависят от степени обработки. На первых этапах железную руду подвергают раскислению, восстанавливают окись железа до металла. По количеству оставшихся в расплаве атмосферных газов установлены классы:

В зависимости от наличия вредных примесей определяют качество:

Так как от углерода зависит твердость и одновременно ударная хрупкость, предусмотрена следующая классификация сталей:

● Низкоуглеродистые — до 0,25%;

● Высокоуглеродистые — выше 0,6%.

Действует деление по областям применения:

● Конструкционные — большая группа, объединяющая несколько видов: строительные, автоматные, термоупрочняемые, повышенной прочности и др. Маркировка начинается с цифр, обозначающих углерод в сотых долях процента: от 08 до 85. Если увеличено содержание марганца, в конце добавляют Г

● Инструментальные — для изготовления инструмента, не подвергающегося нагреву: зубила, молотки, топоры. Группу сталей относят к качественным и обозначают буквой У в начале, высшее качество дополнительно маркируют знаком А в конце.

● Общего назначения — недорогие сплавы для изготовления труб, прутков, швеллеров, ковки и литья. Предусмотрено несколько подгрупп. К группе А относят стали со стабильными механическими свойствами (Ст1кп, Ст6сп), первую букву не пишут. У группы Б регламентирован химический состав (БСт4сп, БСт6пс), у В стабильны состав и свойства (ВСт3сп, ВСт5).

Углеродистые стали предназначены для изготовления нагруженных деталей и конструкций: рельсов, валов, тяг, осей, пружин рессоров, деталей турбин. Они отлично свариваются, поддаются резанию, ковке, но требуют защиты от коррозии.

Разница между легированной и углеродистой сталью

Различие в химическом составе определяет характеристики материалов.

Легированные стали отличаются коррозионной стойкостью.

В зависимости от элементов, связанных с железом, они могут работать в морской воде, кислотных средах даже при высоких температурах, но плохо справляются с ударными нагрузками, имеют малую несущую способность. Производство сплавов и конечных продуктов сопряжено с применением десятков сложных технологий.

Углеродистые стали без антикоррозийных покрытий подвержены быстрому разрушению.

Их области применения: все металлоемкие производства. Экономическая целесообразность большого расхода сырья коррелирует с простотой обработки.

Что такое углеродистая сталь – простыми словами

Промышленность, строительство, транспорт и другие отрасли науки и техники немыслимы без сталей. Из нашей статьи Вы узнаете, что такое углеродистая сталь, в чем их отличие, как их получают и где применяют.

Углеродистая сталь: что это

По определению этот материал представляет собой сплав железа (Fe) и углерода (С), в котором последнего содержится не более 2,14% (или до 2,1% по массе). Углеродистая сталь не имеет в своем составе легирующих элементов, только случайные примеси меди, никеля, хрома, ванадия, титана, прочих металлов и неметаллов – с процентным содержанием до десятых или сотых долей.

С точки зрения химического состава любой такой сплав, не являющийся специально легированным, может называться углеродистым. Материал популярен, он нужен для изготовления инструментов, ножей, пружин, металлопроката и многого другого.

Стали углеродистые подразделяются по своему несложному химическому составу и по сфере назначения. При оценке первого критерия можно заметить схожесть сплавов и по второму.

Состав углеродистой стали включает в себя 2 основных химических элемента: железо Fe и углерод С. Ключевая роль в составе стали принадлежит углероду. Свойства основываются на содержании углерода — бывает сплав:

низкоуглеродистый: доля С – в интервале 0,02-0,25% (к примеру, такие марки как 10, 05кп, Ст1);
среднеуглеродистый: 0,26-0,6% (35, Ст4);
высокоуглеродистый: 0,61-1,35% (70, У13).

Первая группа качественно подходит для свариваемых деталей – низкое содержание углерода позволяет вести сварку практически без дефектов. Материалы удовлетворительно работают на изгиб, отличаются небольшой прочностью.

Вторая группа уверенно себя чувствует в большинстве ситуаций с механической, химической и температурной нагрузкой, материалы усиливаются при термической обработке и увеличивают прочность. Свариваются с определенными условиями. Применяются для постоянно нагруженных деталей по типу шкивов, осей и шестерней

Третья группа не сваривается из-за высокой доли С (образуются поры, трещины и прочие дефекты), но отличается высокой твердостью и прочностью. Материалы задействуются для создания инструмента, пружинящих деталей и специальных механизмов.

Состав углеродистой стали прямо определяет сферу ее использования, которые давно разделены на такие группы:

конструкционные, подразделяемые на стали общего назначения (например, марки Ст1, Ст5), качественные (10, 60) и с повышенной обрабатываемостью (А30);
специальные: рессорно-пружинные (65, 85), подшипниковые (ШХ4) и для строительных конструкций (С285);
инструментальные (У10).

Конструкционные применяют в любой области экономики: от сельского хозяйства до атомного машиностроения.

Специальные используют для создания металлопроката, узлов качения и скольжения, а также рельсов. Последние работают в условиях высокой удельной нагрузки и сильного трения.

Инструментальные — нужны для создания металлорежущей оснастки и инструмента. Высокая твердость позволяет снимать поверхностный слой обрабатываемого металла без появления дефектов на самом резце.

Маркировка углеродистых сталей

Сталь углеродистая маркируется цифрами и буквами, а сам поставляемый прокат дополнительно подкрашивается специальным образом.

Основные правила чтения маркировки и состава углеродистой стали:

если сплав имеет качество нормального уровня, в начале пишется «Ст», после чего указывается цифра, соответствующая максимальному количеству углерода в десятых долях процента, название завершается способом раскисления (к примеру, «Ст2кп»);
при качестве повышенного уровня пишется «Сталь», затем – количество С в сотых долях процента и обозначение имеющейся лигатуры (например, «Сталь 40Х»);
к названию стали высокого качества в конце добавляется «А» («Сталь 20А»);
буква «У» укажет на сталь инструментальную, высокоуглеродистую или специальную («У7»), буква «Р» — на сталь быстрорежущую («Р6М5К5»).

Маркировка цветом производится полосой определенного цвета:

желтая – Ст2;
красная – Ст3;
зеленая – Ст5;
синяя – Ст6, и т.д.

Точная расшифровка химического состава материала, его механических и физических свойств легко находится в специальных справочниках.

Свойства углеродистой стали

Поведение материала зависит не только от содержания углерода, сколько от комплекса физико-химических свойств. На их основе становится возможным охарактеризовать эксплуатационные параметры. Все эти значения сведены в таблицы и справочники, поэтому задача чаще всего сводится к определению ключевых параметров и подборе технического решения.

Базовое требование к стали – механическая прочность как устойчивость к различным нагрузкам. Прочностные характеристики представляют собой комплекс количественно измеряемых свойств:

твердость: устойчивость к вхождению в поверхность материала более твердой поверхности;
предел текучести: величина усилия, от которого материал переходит в деформированное состояние;
предел прочности: величина усилия, от которого начинается разрушение материала;
удлинение: способность к увеличению линейных размеров детали до начала разрушения;
ударная вязкость: устойчивость к динамическим силовым нагрузкам.

Интересно, что при отсутствии значений каких-то показателей возможно достаточно точно указать на поведение стали по другим параметрам – из-за взаимосвязи свойств. После термической обработки соотношение значений меняется. К примеру, после закалки повышается прочность и падает относительное удлинение.

Коррозионная стойкость

В лучшие свойства углеродистых сталей не входит коррозионная стойкость: любая марка теряет свои эксплуатационные показатели при воздействии на нее воды, пара и просто открытого воздуха с высоким содержанием влаги.

Проблема заключается в отсутствии лигатуры. В других материалах устойчивость к окислению получается добавкой отдельных химических элементов (Cu, Mo, Ni, Zn), для углеродистой стали это неприменимо в принципе. Здесь могут присутствовать никель и хром, но в количестве до 0,2%, чего очень недостаточно. Как следствие сплавы уязвимы перед водой.

Коррозионная стойкость повышается с помощью защитных покрытий и термообработки:

нанесение лакокрасочных материалов;
кадмирование, никелирование, хромирование и т.д.

Задача этих техник – создать оксидированный защитный слой, ограждающий сталь от прямого контакта с кислородом.

А вы знаете сколько сохнет холодная сварка? Если нет, то переходите по ссылке на нашу статью.

Износостойкость

Устойчивость к трению и сохранению своей поверхности является одним из базовых свойств стали. Оно проявляется при работе в контакте с другими деталями и в потоках рабочих газовой и жидкой средах.

Износостойкость создается методом снижения шероховатости поверхности и повышением ее твердости. С этим успешно справляются термическая и химико-термическая обработка с последующей шлифовкой:

низкоуглеродистые марки: цианирование и цементация;
среднеуглеродистые и высокоуглеродистые: закалка;
все разновидности: нитроцементация.

При этом на металл воздействуют углеродом, азотом, цианистыми солями. В результате твердость поверхностного слоя доводится до 60-63 HRC, немного повышается устойчивость к коррозии.

Стойкость к воздействию температур

Оптимальный интервал рабочих температур для большинства марок: -100°С..+350°С. Выход за указанные пределы ведет к быстрой потере прочности – из-за слабой устойчивости связки «железо-углерод» в отношении температуры. Типовое эффективное решение – введение лигатуры (Mo, Ma, Si, Ni), но в таком случае теряется суть углеродистой стали.

Больше всего изменения проявляются при нагреве свыше 400°С (потеря до 25% прочности) и свыше 500°С (до 50%).

Технологичность в обработке

Параметр описывает степень сложности при формировании геометрии изделия и полезных свойств материала. У углеродистых сталей технологичность очень высокая, они качественно воспринимают все основные типы технического воздействия:

резание, сверление и другие типы механической обработки – без существенных ограничений;
штамповка, вальцовка – в горячем и холодном состояниях без ограничений;
сварка – с учетом содержания углерода: чем оно выше, тем больше сложностей возникает с предварительным и сопутствующим подогревом, но процесс соединения принципиально выполняется (даже если требуются последующие отжиг или нормализация);
термическая обработка – также по содержанию углерода, но сплавы легко подвергаются всем типам процессов.

Применение именно таких сталей с точки зрения производства детали – оптимальный путь для инженера.

Производство

Получить равномерно распределенный углерод в стали – непростая техническая задача. Сегодня производство стали ведется 3-мя основными способами, каждый из которых требует специализированного оборудования.

Кислородно конвертерный способ

Технология производства основывается на расплавлении всего объема чугунной и стальной шихты, загружаемой в конвертер. Масса, перешедшая в жидкую форму, обрабатывается кислородом, в нее добавляется известь – в результате примеси и нежелательные включения выводятся из состава будущей стали.

Особенностями процесса являются сильное окисление металлов (приводит к образованию значительного количества так называемого «угара») и приличный объем пыли. Для очистки воздуха и улавливания летучих загрязнений приходится затрачивать деньги на соответствующие фильтры.

Способ отличается производительностью и не требует значительных затрат на топливо.

Электротермический способ

Технология заключается в целенаправленном нагреве загружаемого сырья теплостойкими электродами. Через них в закрытую печь подается электрический ток, преобразующийся в теплоту. Генерируемое тепло разогревает шихту и чугун, которые преобразуются в сталь.

Весомое достоинство способа – в низкой степени окисляемости железа внутри печи. Из-за этого сталь удается качественная и с равномерной структурой.

Мартеновский метод

Технология выполняется в мартеновской печи – плавильной установке с уникальной конструкцией (называется по имени своего создателя). В ее отсек подаются куски чугуна и металлический лом.

Готовую шихту разогревают, в ходе чего она становится жидкой однородной массой. На выходе получаются стали в широком спектре марок и с высоким качеством каждой плавки. Метод достаточно старый и в настоящее время применяется все реже и реже. Почти все крупные мартеновские печи в России закрыты.

Применение углеродистой стали

Для создания продукции углеродистые стали подходят как технологичный материал: они хорошо воспринимают обработку и сварку. Их характеристики позволяют работать в широком спектре нагрузок и условий.

Производство деталей машин

Массовое применение находит углеродистая сталь в мире машин и механизмов. Условия работы изделия полностью зависят от содержания углерода в сплаве.

Стали низкоуглеродистые нужны для деталей, на которые не воздействуют сильные нагрузки: втулки, колпаки, крышки, маховики, планки, кольца и пр. Много делается различных металлоконструкций и каркасов. Невысокая механическая прочность компенсируется увеличением поперечного сечения.

Стали среднеуглеродистые хорошо работают при значительных нагрузках: шкивы, зубчатые колеса, валы, рычаги, шпиндели, ролики, штоки и т.д. После механической обработки обязательно выполняется термическая обработка (к примеру, цементация).

Стали высокоуглеродистые применяются в исключительных случаях: пружины, рессоры, цанги, прочие твердые или упругие изделия. Они сложны в изготовлении, поэтому продукция имеет повышенную стоимость.

Производство инструмента

Содержание углерода и лигатуры делает углеродистые стали оптимальным материалом для всевозможного инструмента:

отвертки;
ножницы садовые и по металлу;
ключи гаечные и другие;
ножовки, пилы, режущие полотна, топоры;
напильники и надфили;
плоскогубцы и другой шарнирно-губцевый инструмент;
метчики, плашки;
резцы по металлу и иным материалам;
микрометры, штангенциркули и иные измерительные инструменты;
матрицы для штамповки и многое другое.

Для производства применяют ковку (литье не допускается), прокат упрочняют, заготовки подвергают точению, сверлению, фрезеровке и шлифовке. Одна из основных сложностей – удалить поверхностный слой металла с дефектами от термообработки.

Полезная статья – Что должен знать и уметь сварщик 6 разряда

Производство крепежа

Шпильки, болты, винты и прочие крепежные изделия изготавливаются из таких марок углеродистых сталей:

10, 20: для получения класса прочности до 6.8 включительно, изделие не подвергается термообработке;
30, 35, 45: с классами прочности 5.6, 6.6, изделия проходят термообработку;
35: для класса прочности от 8.8 до 12.9, с термообработкой.

Метод производства: штамповка на автоматах для крупносерийного и массового выпуска и обработка на металлорежущих станках для менее масштабной программы производства.

Углеродистая сталь: состав, свойства

При выплавке железной руды сначала получают чугун, в химическом составе которого не менее 2,14% углерода. Процедура науглероживания превращает сырье в сталь. Металл становится пластичнее, но обладает меньшей твердостью. Так как углеродная массовая доля по-прежнему считается высокой, такие сплавы называют углеродистыми. В зависимости от этого показателя, определяют три группы:

Высокоуглеродистые (0,6-1,4%) — особо твердые сплавы. Из них изготавливают канатную проволоку, дробь для дробеструйной обработки, штампы для деформации металлов. В группу входят некоторые пружинные марки.
Среднеуглеродистые (0,3-0,6%) — наряду с прочностью повышается пластичность, что крайне важно для технологической обработки. Область применения: конструкции, работающие в нормальных условиях.
Низкоуглеродистые (до 0,25%) — мягкие сплавы с хорошей формообразующей способностью. Детали обычно подвергают отжигу для увеличения прочности.

Углерод образует карбидные соединения, находящиеся в состоянии цементита и обуславливает следующие свойства углеродистых сталей:

Прочность;
Упругость;
Износостойкость.

Наряду с этим цементит неустойчив к изменениям внешних условий, подвержен распаду с образованием свободного графита, хрупок. Причиной может быть избыточная кинетическая энергия, увеличение нагрузок. В ходе разрушения кристаллической решетки образуются графитные хлопья и вкрапления, вследствие чего изделие утрачивает первоначальные свойства.

Характеристики углеродистых сталей объясняются прежде всего сложным молекулярным строением. Ячейка структуры цементита приобретает форму октаэдра.

В результате сплавам присущи следующие технико-экономические показатели:

Высокая прочность и несущая способность;
Из-за плохой прокаливаемости формируется твердый поверхностный слой и мягкая сердцевина, это свойство компенсирует хрупкость;
Долговечность, в нормальных условиях или с использованием способов защиты от коррозии срок службы достигает 50 лет;
Низкая цена. Технологический процесс выплавки доступен с момента появления мартеновских печей в конце XIX века.

Углеродистая сталь — незаменимый конструкционный материал, а невысокая стоимость позволяет использовать ее в строительстве масштабных сооружений: трубопроводов, зданий, мостов.

Выдающиеся механические параметры применяют при изготовлении инструментов и крепежей, деталей, испытывающих повышенные нагрузки.

Химический состав

Классификация по качеству и способу производства

В рудах содержится большое количество неметаллических включений, минералов и газов, влияющих на физико-химические свойства. К полезным относятся кремний и магний, к вредным, фосфор и серу. Выплавка производится в следующей последовательности:

Плавление: осуществляется при максимальной температуре с активным окислением железа, марганца, кремния, фосфора и других элементов.
Окисление: при распаде карбидов образуется углекислый газ, в состоянии кипения массовая доля углерода уменьшается до 2%.
Раскисление: оксиды восстанавливают до железа ферромарганцем, ферросилицием и другими реагентами. При плохой раскисленности материал склонен к трещинообразованию.

Температура доменных печей не позволяла выплавлять стали. Сегодня произвести эти операции можно несколькими способами:

Мартеновские печи. Пьер Мартен дополнил кузнечные печи регенератором, который не позволял рассеиваться тепловой энергии продуктов горения, таким образом удалось получить достаточную температуру. Снижение углеродной составляющей достигалось в основном выгоранием карбидов. Последняя печь в России работала до 2018 года на Выксунском заводе.
Конвертеры. Расплавленную массу продувают кислородом снизу и сверху. В ходе химической реакции окисления выделяется дополнительная энергия. Контакт воздушного потока с расплавом увеличивают перемешиванием.
Электроплавка. Электрометаллургия позволяет заменить реагенты электролизом, в частности на этапе восстановления из окиси не требуется уголь, что снижает количество примесей и вредные выбросы в атмосферу. Кроме этого предусмотрены возможности получения температур до 20 тыс С⁰ с помощью эффекта электротермии и вакуумная плавка.

В результате проведенной работы получают углеродистые стали разного качества. Этот параметр указывают в технической документации, так как от маркировки зависит область применения.

Обыкновенные — самый распространенный материал для производства металлопроката, конструкций, термоупрочняемых деталей: валов, осей, втулок. Вредные примеси: до 0,05%.
Качественные — характеристики указывают в отраслевых стандартах. Общее содержание примесей: до 0,035%.
Высококачественные — загрязненность до 0,025%. В основном применяются для изготовления инструментов.
Особо высококачественные — концентрации серы и фосфора ниже 0,015%. В обозначении употребляют букву «Ш».

Получение сталей с малым содержанием примесей возможно только методом электроплавки. Они используются для производства некоторых механизмов и деталей оборудования специального назначения, например в атомной энергетике.

Классификация по уровню раскисления и количеству углерода

На этапе окисления расплав насыщается водородом, азотом, углекислотой, а железо превращается в окись. Восстановление металла осуществляется до нужных параметров, так как дополнительная очистка приводит к удорожанию. В связи с этим действует следующая классификация:

Кипящие (кп) — раскисление осуществляют марганцем, структура неоднородная и насыщенная пузырьками воздуха, характеристики отличаются от слитка к слитку. КП ценят за низкую стоимость и пластичность, их используют для производства плит, подставок, неответственных элементов, работающих при температуре не ниже -20 С⁰.
Полуспокойные (пс) — окись восстанавливают марганцем и алюминием, если процедура проведена правильно, то газы концентрируются в верхней части слитка. При обработке прокаткой дефекты устраняются.
Спокойные (сп) — газы удалены практически полностью, структура однородная и плотная. Применяются для изготовления сортового и фасонного проката.

Индекс раскисления указывают только для обыкновенных и частично для качественных сталей, в других маркировках он не используется, так как требования к химическому составу устраняют эту необходимость.

Чем больше углерода, тем выше прочность, но из-за снижения пластичности и ударной вязкости материал становится хрупким. При превышении установленных нагрузок вместо пластической деформации образуются трещины и сколы.

По его массовой доле углерода определяют назначение:

Обыкновенные (от 0,06 до 0,49%) — в зависимости от группы поставки механические свойства или состав могут быть стабильны.
Конструкционные — понятие включает в себя сплавы разного качества со средним содержанием (0,25-0,6%), применяется в машиностроении и строительстве.
Инструментальные — марки с самой высокой твердостью (от 0,7), из них изготовляют ударные инструменты, группа включает в себя только качественные и высококачественные стали У7,У8 — У11А, У12а.

Характеристики и структуру металла изменяют термообработкой. Таким образом достигается баланс прочности и пластичности стальных изделий, повышается коррозионная стойкость. В ряде случаев закаливанию подвергаются лишь поверхностные слои, а сердцевина остается пластичной.

Обозначение указывает на класс, чистоту и назначение. В России и СНГ приняты регламенты ГОСТ и ОСТ, устанавливающие нормы химического состава, механических свойств и методов испытаний. В каждой стране разработана своя система: DIN(Германия), EN (Евросоюз), JIS (Япония). Свои нормативы действуют даже в небольших государствах, таких как Чехия, Югославия, Бельгия, в США работает сразу несколько организаций стандартизации, которые создали 8 спецификаций.

Читайте также: